Реактори процесів гетерогенно-каталітичного окиснення

 

Реакції гетерогенно-каталітичного окиснення часто проводять при атмосферному тиску. Але з'являється усе більше виробництв, де ці реакції ведуть під тиском від 0,3 до 2,0 МПа, що дозволяє інтенсифікувати процес, знизити габарити апаратури і полегшити виділення неперетвореного вуглеводню і продуктів. Температура для різних процесів змінюється від 230-300⁰С до 400-500⁰С. Через вибухонебезпечність сумішей вуглеводнів з киснем мається кілька способів виходу за межі небезпечних концентрацій: окиснення рециркулюючими газами з добавкою свіжого повітря і кисню при низькій концентрації олефінів (3-5 % об.), окиснення надлишку вуглецю невеликою кількістю технічного кисню, розведення суміші водяною парою.

Одним з основних питань при конструюванні реакційних апаратів для газофазного окиснення є відвід тепла і виключення зон перегріву. Через невеликі коефіцієнти тепловіддачі від газу до стінки ця задача є більш складною, чим при рідинофазних процесах окиснення. Усе більшого значення набуває і проблема підвищення теплового коефіцієнта корисної дії установок, що зводиться до утилізації реакційного тепла для виробництва водяної пари.

Через високу екзотермічність окиснення адіабатичні реактори не знайшли застосування в цьому процесі. Розповсюджений трубчастий реактор зі стаціонарним шаром каталізатору та охолоджуваним хладоагентом (рис.3, а). Труби мають діаметр 10-25 мм, що сприяє відводу тепла і встановленню більш рівномірної температури по діаметру. Щоб краще використовувати катализаторний об’єм, в апарат надають реагенти попередньо підігрітими. Найкращий спосіб відводу виділеного тепла – це випар у міжтрубному просторі водяного конденсату, що генерує водяну пару того або іншого тиску в залежності від температури реакції. Іноді використовують охолодження стороннім теплоносієм (розплави солей, даутерм), що у свою чергу охолоджується киплячим водним конденсатом, що дає технологічну пару. Перевагою трубчастих контактних апаратів є простота їх пристрою та обслуговування, а також близькість до моделі ідеального витиснення, що сприяє підвищенню селективності; недоліки – нерівномірність температури по шару каталізатора, мала частка корисного обсягу, велика витрата металу.

 

Рис. 3. Реактори для гетерогенно-каталітичного окиснення:

 

а – трубчастий реактор зі стаціонарним шаром каталізатору; б – апарат з псевдозрідженим шаром каталізатору;

 

Для багатьох процесів окиснення використовують реактори з псевдозрідженим шаром гетерогенного каталізатору (рис.3, б). Вони подібні реакторам каталітичного крекінгу, але не мають регенераторів, тому що при окисненні утворення смол і сажі незначно, каталізатор зберігає активність протягом багатьох місяців і навіть декількох років. Реагенти можна надавати холодними, каталізатор використовують у зміцненій мікросферичній формі, який знаходиться у постійному витанні.

Реактор звичайно облагоджений розподільними ґратами з охолодними трубами, у яких регенерується пара, і циклонами для уловлювання часток, віднесених газом. У такому апараті ідеально вирішується проблема тепловідводу і підтримки рівномірної температури, але відбувається зворотне перемішування, що знижує селективність процесу. Для усунення цього недоліку використовують секціоновані апарати, у яких крім основних розподільних ґрат мається кілька ґрат, що поділяють основний об’єм на секції (рис.3, в). Зменшення зворотного перемішування досягається також у реакторах з висхідним потоком каталізатора (мал.3, г), що переміщається нагору разом з газом. Реакційна труба прохолоджується рубакою з киплячим водним конденсатом. Каталізатор відокремлюється в сепараторі або циклоні і повертається по трубі в нижню частину реактора, яка називається дозатором. У цьому апараті умови теплопередачі гірші, ніж у попередніх, тому що зовнішнє охолодження, при досить широкій реакційній трубі, менш ефективно. Такий реактор можна виконати у виді багатотрубного агрегату, охолоджуваного через міжтрубний простір.

При виборі матеріалу апаратури для газофазного окиснення варто враховувати корозію не тільки карбоновими кислотами, але і сумішами діоксиду вуглецю з водяною парою, також можуть каталізуватися небажані процеси повного окиснення. У зв'язку з цим ці апарати виконують з легованих сталей.